第28卷第1期Vol.28No.12007青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University动力荷载试验在桥梁检测评估中的应用王自彬1,岳渠德1,赵金环2,陈建强3(1.青岛理工大学土木工程学院,青岛266033;2.青岛理工大学学报编辑部,青岛266033;3.青岛理工大学校长办公室,青岛266033)摘　要:介绍了线性多自由度体系在随机分布荷载作用下产生反应的功率谱密度函数和自相关函数,基于上述理论介绍了桥梁结构的动力荷载试验的基本原理、试验项目、试验目的.结合工程实例,阐明了桥梁结构的动力荷载试验在桥梁检测评估中的应用.关键词:桥梁检测评估,动力荷载试验,动力特性,测试方法中图分类号:U446.1 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2007)01—0014—03 我国现有桥梁中,部分建造年代久远,常年缺乏应有的维修保养,造成桥梁损坏严重、承载力下降,给交通运输造成很多事故隐患.近年来,随着国民经济的飞速发展,大量低等级的公路被改建、扩建,同时许多桥梁的承载能力和通行能力已远远不能适应现时交通状况的要求,如果对这部分桥梁都进行拆除重建,势必需要投入大量的资金和人力,严重影响现行的交通秩序,同时产生大量的建筑垃圾,造成巨大的资源浪费.如果能够充分利用现有桥梁资源,通过可靠的检测评估手段,对这些桥梁进行科学的加固改造,既能保证或提高桥梁的承载能力和运行条件,又能最大限度地保持现行交通少受干扰;这对降低成本、预防灾害、保证社会交通正常运行都有着非常重要的意义.另外,公路工程建设的质量也越来越得到重视,竣工桥梁的质量能否达到设计和规范的要求,也需要有相应的评定标准[122].对服役桥梁结构及新建桥梁承载能力评定最有效、最直接的方法就是桥梁荷载试验,包括动力荷载、静载试验.1　桥梁动力荷载试验的目的及项目桥梁动力荷载试验的目的是测定桥梁结构的动力特性,即桥梁结构的自振频率、振型、阻尼比等桥梁结构模态参数;测定桥梁结构在动荷载作用下的强迫振动响应,即桥梁结构的动位移、动应力、冲击系数等.通过动载试验和理论分析来了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态,判断和评价桥梁结构的承载能力和使用条件,分析桥梁病害成因并掌握其变化规律,分析桥梁病害对桥梁各项性能的影响.结合桥梁静力荷载试验结果,对桥梁质量做出合理的评价,为桥梁运营管理及改造提供科学的依据.根据测试目的的不同,桥梁动力荷载试验一般分为脉动试验、跳车试验(冲击试验)、跑车试验等[1].(1)脉动试验.当桥面上无汽车行驶和其他的周期性干扰力时,在风、地面微振等环境因素的作用下,桥梁所受的激励是平稳的各态历经宽带随机激励.结构响应的主谐量,是在其固有频率附近的振动,从而通过脉动测试可以确定结构的固有频率.(2)跳车试验(冲击试验).跳车试验测试汽车跨过15cm高跳板后制动,测量此时桥跨结构在附加汽车质量情况下的衰减振动,确定桥梁的冲击系数,用以分析桥梁结构的振动性质.(3)跑车试验.桥上跑车试验主要是测试试验汽车在桥上通过时,桥梁结构的强迫振动响应,以及激励后(车辆通过后)振动衰减情况.收稿日期:2005—12—20第1期 王自彬,等:动力荷载试验在桥梁检测评估中的应用2　桥梁动力荷载试验的原理多跨连续梁是线性多自由度体系,在外荷载的作用下产生振动,其过程可以用一个时间函数来描述,将其任意时间的值作为一组抽样记录,这样的函数只能从统计的观点来描述.随即函数最主要的统计数字是它的平均值 x 、均方值x 2和方差σ2.由于这些过程均为各态历经遍历性过程,我们可以通过解振动反应的自相关函数、功率谱密度函数、互功率谱密度函数来分析这些振动反应[324].连续的线性多自由度体系的动力反应可通过解典型方程:Νn (t )+2ωn ξn Y n (t )+ω2n Y n (t )=P n (t )M n n =1,2, (1)而求得,式(1)中n 为振型序号.与正规坐标线性关联的任何反应量z (t )都可以利用关系式:z (t )=∑n B n Y n (t )(2)求得,式(2)中系数B n (n =1,2,…)由标准分析方法得出.线性多自由度体系在分布荷载p (x ,t )作用下的反应z (t )的自相关函数可表示为:R z (τ)=∑m ∑n ∫∫∞0B m B n R p m p n (τ-u 2+u 1)h m (u 1)h n (u 2)d u 1d u 2(3)线性多自由度体系在分布荷载p (x ,t )作用下的反应z (t )的功率谱密度函数可表示为:S z ( ω)=∑m ∑n B m B n R p m p n ( ω)H m (-i ω)H n (i ω)(4)式中　H m (-i ω)=1K m [1-2i ξm ( ω/ωm )-( ω/ωm )]2(5)H n (i ω)=1K n [1+2i ξn ( ω/ωn )-(ω/ωn )]2(6)如果一个线性多自由度体系上作用的分布荷载p (x ,t )对x 和t 均是随机的,则第n 阶振型的广义力函数为:p n (t )=∫<n (x )p (x ,t )d x (7)式中　<n (x )为第n 阶振型中线性结构上的连续函数p (x ,t )方向上的位移分量如果p (x ,t )是一个平稳正态过程,并由S p (x ,α, ω)或R p (x ,α,τ)所表征,则p m (t )和p n (t )的交叉普密度函数和协方差函数变为:S p m p n ( ω)=∫∫<m (x )<n (α)S p(x ,α, ω)d x d α(8)S p m p n (τ)=∫∫<m (x )<n (α)R p (x ,α,τ)d x d α(9)式中　α是一个空间虚变量将式(9)代入式(3)将得到线性多自由度体系在分布荷载p (x ,t )作用下的反应z (t )的自相关函数;将式(5)、式(6)、式(8)代入式(4)将得到线性多自由度体系在分布荷载p (x ,t )作用下的反应z (t )的功率谱密度函数.3　桥梁动力荷载试验在工程中的应用实例在桥梁检测评估中,利用先进的设备进行数据的自动采集及分析.数据采集过程:分布在桥面不同位置的传感器采集位移或加速度信号,利用屏蔽导线输入信号采集系统进行采集、储存;然后对储存的信号进行处理,选择其中的有效信号进行分析,得到桥梁结构的自振频率、振型和冲击系数等参数的实测值.某市区预应力混凝土连续梁桥,全长286m ,桥面宽度为20m ,其中行车道宽16m ,两侧人行道各宽2m ,上部结构为三联十跨预应力混凝土连续箱梁,跨径设置为(28+30+28)m +(27+28+30+29)m +(28+30+28)m.箱梁结构为单箱三室,箱宽14m ,顶板悬臂3m ,梁高1.6m.为检验竣工桥梁的质量能否达到设计和规范的要求,进行了桥梁荷载试验,试验采用INV 振动测试系统.51对该桥进行了脉动试验、跳车试验(冲击试验)、跑车试验,通过对脉动信号作频谱分析,得到各测点的位移功率谱(如图1所示),可以看出该桥的模态比较密集,谱成分较丰富.进一步做出第3跨中和第4跨中的竖向(横向)振动的互功率谱(如图2所示),可以识别出该桥的竖向基频为411Hz ,横向基频为2115Hz.当试验车辆以不同车速通过桥梁时,测得桥梁的振动时程曲线如图3、图4所示,经频谱分析,发现各种车速下桥梁结构主频基本上没有变化,横向基频为2108～2112Hz ,竖向基频为319～4105Hz.图1　桥梁脉动测点功率谱图2　脉动测试结构反应互功率谱图3　跑车30km/h 桥梁竖向响应时程曲线和幅值谱图4　跑车50km/h 桥梁竖向响应时程曲线和幅值谱 表1　单车不同时速通过桥梁时的冲击系数试验车速(km/h )冲击系数100.16200.19300.14400.24500.20 不同车速时冲击系数如表1所示,可以看出冲击系数与车速关系不明显.通过对各种工况进行幅频特性分析,推算出横向阻尼比为01031,竖向阻尼比为01055.由理论计算可知该桥的竖向自振频率为319,与试验结果基本相符.从动力荷载试验的结果看,该桥的竖向自振基频、阻尼比,在跑车试验时与脉动试验时所测结果基本相同.所测的基频均不小于相应的理论计算值,表明所试验的桥梁有着较好的刚度.从自振频率的角度看,结构是安全的;所得该桥的冲击系数介于0114～0124,小于《城市道路荷载规范》规定值,说明桥梁对汽车荷载的反应在安全范围之内.4　结论桥梁动力荷载试验理论上基本成熟,在实际桥梁的检测评估中得到了广泛应用,对超期服役桥梁结构及新建桥梁承载能力评定提供了有效、最直接的方法.(1)桥梁动力荷载试验能够得到桥梁结构的模态参数及强迫振动响应,结果准确、可靠,能够利用其结果来判断桥梁的健康状况,为桥梁的评估提供依据.(2)虽然该方法有效可行,在实际检测中也得到了广泛的应用,但是它对仪器的灵敏度要求较高,结果受设备的性能限制较大.(下转第34页)wind2induced vibration and axial flow vibration,is int roduced in t his paper.In order to decrease vibration and reduce noise,a passive cont rol met hod is adopted and TMD(Tuned Mass Damper)is fixed,type of bridge foundation is modified in vehicle2bridge coupled dynamic system of railway bridge and urban bridge.In stay cable vibration cont rol,a mechanical control met hod is applied and viscous shearing damper is fixed o n t he cables.Semi2active decreasing vibration cont rol met hod adopting new magneto2 rheological is also int roduced.Obvious effect s are gained wit h t hese decreasing vibration met hods.Simul2 taneously,human2induced lateral vibration of pedest rian bridge is given,as a new problem of bridge de2 creasing vibration,which is researched in recent years.K ey w ords:bridge decreasing vibration,t ransverse vibration,vehicle2bridge coupled vibration,rain2 wind2induced vibration,human2induced lateral vibration作者简介:张　伟(19832　),男,2004级硕士研究生,桥梁结构气动力特性方向(上接第16页)参　考　文　献[1]　刘自明.桥梁工程检测手册[M].北京:人民交通出版社,2002.[2]　崔玉萍,杨党旗.钢—混凝土组合梁桥结构的振动特性测试与计算分析[J].公路,2002(9):13216.[3]　R・W・克拉夫,J・彭津.结构动力学[M].王光远,译.北京:新科技出版社,1981.[4]　M・帕兹.结构动力学[M].李裕澈,刘勇生,译.北京:地震出版社,1985.[5]　魏丽华,岳渠德,姜福香.桥梁结构延性抗震分析[J].青岛理工大学学报,2005,26(6):27229.[6]　沙丽新,阮欣.桥梁结构健康检测与评估方法发展现状综述[J].青岛建筑工程学院学报,2003,24(4):19222.Dynamical load test used in bridge test and evalu ationWAN G Zi2bin1,YU E Qu2de1,ZHAO Jin2huan2,C H EN Jian2qiang3(1.School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao266033;2.Editorial Department of Journal of Qingdao Technological University,Qingdao266033;3.President Office of Qingdao Technological University,Qingdao266033)Abstract:The power spect ral density f unction and autocorrelation f unction of linear MDOF st ruct ure un2 der t he random loading is p resented in t he paper.Based on t he principle,t he test p urpose,t he test items are int bining wit h t he project,t he paper illuminates t he use of t he bridge dynamic load test in t he bridge test and evaluation.K ey w ords:bridge test and evaluation,dynamical load test,dynamical characteristics,test met hods作者简介:王自彬(19822　),男,2003级硕士研究生,桥梁及大型结构物检测加固方向。